Uusimmalla älyelektroniikalla ja sulautetuilla mikroprosessoreilla voidaan toteuttaa paremmin toimivia laitteita ja entistä pienempinä. Niissä voidaan hyödyntää IT- ja tietoliikenneratkaisuja, joita on tarjolla piireistä moduuleihin. Tämä juttusarja pyrkii tarjoamaan sinulle ideoita ja käytännön tietoa uudenlaisten laitteiden kehittämiseen.

Osa1. Tutki ja selvitä markkinoista piiri- ja ohjelmistovalintoihin, ilmestyi 28.2.2023 (LINKKI)
Osa 2. Kohti protoa piireistä moduuleihin ja ohjelmointiin, ilmestyi 5.4.2023 (LINKKI)
Osa 3. Kotelointi, laitekokoonpano ja sertifioinnit, ilmestyi 8.5.2023 (LINKKI).

Suunnittelun alussa on aina maailmaa mullistava tuoteidea tai hieman vähäisempi, mutta silti sen toteuttaminen on tänä päivänä selvästi aiempaa helpompaa, kun tarjolla on runsaasti erilaisia piiri- ja moduuliratkaisuja. Idea voi olla oma tai jonkun muun neronleimaus, mutta kaupalliseen tuotteeseen on useimmiten pitkä matka, joka vaatii sekä resursseja kuten rahaa ja paljon asiantuntemusta.

Tutki ja selvitä tarkasti

Ennen kuin poltetaan suuria rahasummia tuotteen kehitystyöhön, on syytä ensin viileän realistisesti ja ilman liiallista toiveajattelua arvioida aiotun tuotteen menestymisen mahdollisuudet. Markkinatutkimus on usein hyvä paikka aloittaa. Harva tuoteidea on niin ainutlaatuinen tai vallankumouksellinen että mitään vastaavaa ei olisi jo markkinoilla. Siten kilpailevia tuotteita tutkimalla voi paljon oppia esimerkiksi hinnoittelusta.

Ja tapauksesta riippuen voi olla tarpeen tutkia myös patentteja, muun muassa siksi että aiottu tuote ei sattumoisin loukkaa kenenkään patenttioikeuksia. Perusteellinen selvitys voi olla sangen työlästä ja kallista johtuen myönnettyjen patenttien valtavasta määrästä ja vaikeaselkoisuudesta.

Oman tuotteen kehittäminen alusta loppuun vaatii aina suurimmat resurssit, kun taas suunnittelupalvelujen tarjoaminen on yksinkertaisempaa. Silloin toimeksiantaja vastaa hankalimpien kysymysten ratkaisuista ja suunnittelija voi pääosin keskittyä tekniikkaan.

Perusratkaisut ja mitä lisää?

Ennen kuin ryhdytään varsinaiseen suunnittelutyöhön, on syytä miettiä mitä ominaisuuksia ja toimintoja laitteeseen halutaan.

Teknisesti mahdollisuuksia ja vaihtoehtoja on helposti jopa liikaa. Lisäksi on syytä pitää jalat maassa ja jäitä hatussa eikä lisätä mitään pelkästään siksi että se on mahdollista. Muuten kehitettävästä laitteesta voi tulla liian kallis liian monelle.

Sulautetuissa ratkaisussa on lähes aina mukana jonkinlainen prosessori tai mikro-ohjain. Esimerkiksi suositusta ARM-arkkitehtuurista on tarjolla sulautettuihin hyvin sopivat Cortex-M- ja Cortex-A-perheet. Vaikka suoritinydin voi olla samanlainen niin erot ilmenevät. kun tarkastellaan muita piisirulle integroituja osuuksia.

Sulautettujen mikro-ohjaimille tunnusomaista on piisirulle integroidut liitännät ja muut yksiköt kuten analogia/digitaalimuuntimet, ajastimet ja yhä useammin myös matalatehoinen radio-osa.

Perinteisessä mikroprosessorissa lisäosia ovat puolestaan grafiikkaprosessorit ja muistinhallintayksiköt (MMU, Memory Management Unit), jota tarvitaan kun halutaan hyödyntää esimerkiksi Linuxia ja Windowsia käyttöjärjestelmänä.

Mikro-ohjainsovelluksissa hyödynnetäänkin yleensä erikoistuneita reaaliaikakäyttöjärjestelmiä. Niitä on tarjolla sekä kaupallisina kuin ilmaisia, open source-periaatteen mukaisesti tarjottavina ratkaisuina. Samalla kannattaa tosin aprikoida myös, tarvitaanko ylipäänsä käyttöjärjestelmää. Niiden suurin hyöty tyypillisesti ilmenee vain sovelluksissa, joissa esiintyy paljon asynkronisia tapahtumia erilaisilla prioriteeteilla.

Nopeat protot ovat tärkeä loppukehitykselle

Jokaisessa tuotekehitysprojektissa on välttämätöntä toteuttaa yksi tai useampi prototyyppi ennen varsinaista massatuotantoa.

Heti alussa voi olla hyödyllistä rakentaa toiminnallinen prototyyppi, jossa on kutakuinkin samat toiminnot kuin lopullisessa laitteessa.  Tällä voidaan testata tuoteidean toimivuus ja saadaan tarkempi kustannusarvio projektille.

Toiminnallisen prototyypin ei kuitenkaan tarvitse olla myöhemmin toteutettavan lopullisen prototyypin näköinen tai kokoinen, vaan tässä vaiheessa voidaan tyytyä karkeampaan, ei täysin viimeisteltyyn rakenteeseen.

Toiminnallisen prototyypin voi rakentaa helpoiten valmiiden kokeilukorttien pohjalle. Kaikki mikro-ohjainpiirien valmistajat tarjoavat lähes puoli-ilmaisia kokeilukortteja, joissa on usein toiminnallisia yksiköitä kuten näyttö, painikkeita, antureita jne.

Näistä kokeilukorteista voi toteuttaa jos jonkinlaisia kokoonpanoja, mutta esimerkiksi anturin liittäminen kokeilukorttiin ei välttämättä ole aivan yksinkertaista. Onneksi netissä on tarjolla runsaasti suunnitteluapua ja esimerkkejä. Niitä esitellään muun muassa netin Hackster-, Hackaday- ja Random Nerd Tutorials-sivustoilla. Linkit niihin löytyvät tämän jutun linkkipankkiosiosta.

Neljä esimerkkiä protoratkaisun kokoamiseen

Markkinoilla on tarjolla myös protolaitteiden rakennussarjoja ja laajempia ekosysteemejä, joilla voidaan toteuttaa pientyyppinen prototyyppi jopa ilman omaa piirilevysuunnittelua tai juottamista.  Näin korttiratkaisuihin sisältyy usein erilaisia prosessorikortteja tai mikro-ohjaimia ja antureita ja toimilaitteita kuten releiden ja sähkömoottoreiden ohjausyksiköitä.

Standardoitujen liitinjärjestelmän ansiosta niistä syntyvät kokoonpanot pienen harjoittelun jälkeen käden käänteessä. Sellainen on amerikkalaisen SparkFunin Qwiic, joka perustuu synkroniseen I2C-sarjaliitäntään ja nelinapaiseen liittimeen. Siinä on 3,3 voltin syöttöjännite ja maa eli nollapotentiaali sekä I2C-liitännän signaalit SDA (data) ja SCL (kello).

Yksiköt on ketjutettu toisiinsa ja liitännän signaalit ja syöttöjännite menevät siten jokaiseen yksikköön. Qwiic-liittimen ja johtimien kautta voidaan syöttää enintään 226 mA tasavirtaa liitetyille yksiköille. Vähän virtaa kuluttavat yksiköt eivät siten välttämättä tarvitse omaa teholähdettä.

Tarjolla on kaikkiaan jo yli sataa erilaista mikro-ohjainkorttia, näyttöä sekä antureita ja toimilaitteita. Lisäksi on palvelu nimeltään A La Carte (ALC), joka on automaattinen työkalu protokehitykseen. ALC tarjoaa eräänlaisen ohituskaistan Qwiic-pohjaisesta toiminnallisesta prototyypistä paremmin viimeisteltyyn protoon.

SparkFunin ALC-nettiliittymässä käyttäjä valitsee haluamansa Qwiic-yksiköt ja yhdistää ne toisiinsa. Sen jälkeen ALC yhdistää erilliset yksiköt yhdelle piirilevylle. Lopuksi SparkFun valmistaa ja toimittaa asiakkaalle halutun määrän hyvin viimeisteltyjä protokappaleita. Niiden toimitusaika on 3–4 viikkoa ja kustannus riippuu siitä, mitä moduuleja protoon sisältyy. ALC:n käytöstä veloitetaan ensimmäisen tilauksen yhteydessä kertamaksu 949 dollaria.

Toinen nopeaan prototyyppien rakentamiseen on kiinalaisen Seeed Studion Grove, jonka perustana on nelinapainen liitin kuten Qwiic-järjestelmässä. Groven signaalit eivät ole yhteensopivia ja kaapeloinnin topologiakin on erilainen. Yksiköitä ei ketjuteta toisiinsa, vaan kukin yksikkö liitetään suoraan prototyypin mikro-ohjaimeen.

Kaikki Grove-liittimet ovat mekaanisesti samanlaisia keskenään, mutta signaalien osalta liitintyyppejä on neljä erilaista. Joissakin liitinnastoissa on I2C ja toisissa taas UART (asynkroninen sarjaliitäntä) ja vielä joissakin analoginen jännite.  Siksi ennen liittämistä on tarkistettava, että signaalit ovat yhteensopivia mikro-ohjainpiirien kanssa.

Grove-järjestelmän moduulitarjonta on amerikkalaista Qwiic-järjestelmää selvästi laajempi. Erilaisia moduuleja on tarjolla lähes neljäsataa. Sen kanssa tosin kilpailee myös toinen kiinalainen Elecrow, jonka Crowtail-ratkaisu on rakenteeltaan hyvin samalainen kuin Groven tarjonta.

Neljäs ratkaisu protokehitykseen on serbialainen Mikroen ratkaisu. Sen protopalvelussa on paikat yli sadalle erilaisille mikro-ohjainmoduulille, jotka tukevat kaikkiaan yli kolmea tuhatta eri mikro-ohjainversiota.  Mukana on esimerkiksi laajalti hyödynnetyt perustason Microchipin PIC-mikro-ohjaimet, mutta myös laaja valikoima ARM:n tehokkaita Cortex-M- ja RISC-V-piirejä.

Belgradilaisen Mikroen protokorttialustan keskellä on paikka graafiselle nestekidenäytölle, joita on kuusitoista erilaista. Mikro-ohjaimeen voidaan kortin avulla liittää antureita, toimilaitteita ja paljon muuta. Alustassa on paikkoja, joihin voi liittää Click-nimisiä pistoyksiköitä, joita on nyt lähes 1400 erilaista.

 Modulaariset tietokonekortit protovaiheeseen ja tuotantovolyymeihin

Aikojen kuluessa on kehitetty useita “yhden kortin tietokoneita” (SBC, Single Board Computer), jossa piirilevyllä on teholähdettä lukuun ottamatta kaikki tarvittava elektroniikka kuten prosessori, muistit ja erilaiset liitännät. Vaikka ensimmäiset PC-mikrot koostuivat väyläkorteista niin nykyisin perustason PC on yhä useammin integroitu yhdelle piirilevylle joitakin erikoiskortteja lukuunottamatta.

Sama kehitys johti sulautetuissa modulaaristen tietokonekorttien (COM, Computer-On-Module) esiinmarssiin varsinkin sulutetuissa järjestelmissä.  COM-moduuleissa normaalin PC-emolevyn elektroniikka on toteutettu yhdellä piirilevyllä, lukuun ottamatta liittimiä (USB, HDMI, SATA, jne). Niiden sijaan moduulikortilla on yksi tai kaksi hyvin moninapaista liitintä, johon on tuotu kaikki tarpeelliset ja käytettävissä olevat signaalit.

COM-moduuli tarvitsee myös alustalevyn, jossa on yhteensopiva moninapainen liitin sekä tavanomaiset tietokoneen tarvitsemat liittimet. Näin käytettynä COM-moduulia on syytä ajatella eräänlaisena “makrokomponenttina”, johon on integroitu mikropiirejä, passiivikomponentteja ja toimintoja. COM-kortit nopeuttavat prototyyppien rakentelua, mutta suurempi merkitys niillä kuitenkin on tuotannossa.

Prosessorikortteja voidaan toteuttaa myös hankkimalla tarvittavat komponentit, suunnittelemalla piirilevy ja hoitamalla tavalla tai toisella valmistuksen ja laadunvarmistuksen. Tosin tämä vaatii jo runsaasti omaa osaamista ja kassaa.  Oma korttiratkaisu voi osoittautua helposti luultua kalliimmaksi, sillä suunnittelussa tarvitaan paljon asiantuntemusta ja kokemusta. Lisäksi tarpeeksi matala kustannustaso voidaan saavuttaa vain suurella tuotantovolyymillä.

Kaupallisilla COM-korttien valmistajilla on suuret valmistussarjat ja keskinäinen kilpailu, joten hintatasokin voi olla edullinen vaikka kortilla olisikin joitakin “tarpeettomia” ominaisuuksia. Näitä valmistajia ovat esimerkiksi saksalaiset Congatec ja Kontron sekä kiinalaiset Adlink ja ja Aaeon.   Tarjolla on kolme “virallista” COM-standardia: Qseven, SMARC ja COM Express.

Tarjonnassa uusin korttimoduulistandardi on OSM (Open Standards Module), jonka määrittely julkaistiin kaksi vuotta sitten. Se poikkeaa hieman muista kaupallista korttimoduuleista siinä, että OSM-kortteja ei liitetä alustalevylle liittimellä, vaan juotetaan kiinni BGA-kotelon tapaan. OSM-moduulit ovat erittäin pieniä. Esimerkiksi pienin malli “Zero” on kooltaan 30 x 15 mm eikä suurinkaan malli ’’Large”  ole kooltaan kuin 45 x 45 mm.

Näiden lisäksi on tarjolla myös hieman epävirallisempia “standardeja” kuten Intel NUC, joka kehitettiin alkuaan Intelin tarpeisiin. Myös suositusta Raspberry Pi-tietokoneestakin on tarjolla COM-tyyppinen moduuli, alkuperäisessä muodossaan SO-DIMM-muistikamman mekaanisen formaatin mukainen CM3. Uusin CM4 taas noudattaa paljolti COM-moduuleissa käytettyä ratkaisuja, jossa moduuli liitetään alustalevylle kaksiosaisella, moninapaisella liittimellä.

Teholähderatkaisut oma lukunsa

Protoratkaisu tarvitse myös sähköenergiaa toimiakseen. Tarjolla on erilaisia ratkaisuja, mutta usein pienlaitteet saadaan toimimaan pienillä, enintään muutaman kymmenen voltin tasajännitteillä.  Tai laite toteutetaan akuilla tai aurinkokennoilla.

Ainakaan pienemmissä hankkeissa omaa teholähdettä ei kannata suunnitella, koska tarjolla on valmiita teholähteitä monissa eri muodoissa. Teholähteiden valmistajat huolehtivat sähköturvallisuus- ja EMC-häiriövaatimusten mukaisuudesta Perusvaihtoehdot ovat sisäinen vai ulkoinen teholähde, ja saako laite energiansa matalasta, enintään muutaman kymmenen voltin tasajännitteestä vai sähköverkon vaihtojännitteestä, jonka tehollisarvo Suomessa on noin 230 volttia, mutta esimerkiksi Yhdysvalloissa noin 115 volttia.

Esimerkksi kiinalainen Meanwell on yksi merkittävimpiä valmistajia erityisesti pienemmän teholuokan teholähteissä. suuruusluokaltaan kymmenen watin antotehoissa on tarjolla suoraan piirilevylle juotettavia moduuleja, erilaisille otto- ja antojännitteille, mukaan lukien 115-230 voltin vaihtojännite.  Suuremmalle tehontarpeelle on tarjolla esimerkiksi DIN-kiskoon asennettavia teholähteitä sekä erillisiä koteloituja ja koteloimattomia teholähteitä.

Pienissä mobiililaitteissa kuten kännykät akkukäyttö on suorastaan pakollinen, mutta saa koko ajan yhä enemmän jalansijaa enemmänkin tehoa tarvitsevissa laitteissa kuten monenlaiset sähkötyökalut. Litiumakuissa lähestulkoon standardiksi ovat muodostuneet sylinterimäiset kennot, jotka tunnetaan nimikkeellä “18650”. Tämä viittaa kennon halkaisijaan 65 mm ja pituuteen 650 mm.

Yksittäisen kennon nimellisjännite on 3,7 volttia täyteen ladattuna ja energiasisältö on suuruusluokkaa 0,01 kWh. Yhdistämällä useita kennoja sarjaan ja rinnan voi rakentaa halutun jännitteen ja kapasiteetin omaavia akkuja. Suurempia ja pienempiä kokoja on myös tarjolla sylinterimäisissä litiumkennoissa, mutta juuri 18650-kennot ovat kustannustehokkaita massatuotannosta ja valmistajien kilpailusta johtuen. Varsin monen sähkötyökalun akkupaketit on toteutettu mainituilla kennoilla.

Useamman kennon akkupaketeissa tarvitaan elektroniikkaa ohjaaman latausta ja huolehtimaan siitä että kaikkien kennojen lataustila on ja pysyy jokseenkin samalla tasolla ja vieläpä ilman yli- tai alilatausta.  Myös akun lämpötilaa tulee valvoa sekä purettaessa että ladatessa.

Ohjelmistot entistä isommalla sijalla

Nykyaikainen elektroniikkalaite on lähes aina sulautettu mikroprosessorituote, joten ohjelmistoalue on tärkeää myös laitekehityksessä. Samalla tärkeäksi nousee ohjelmistoalue käyttöjärjestelmävalinnoista käyttöliittymiin.

Tarjolle on tuotu aikojen kuluessa suorastaan ylenpalttinen joukko erilaisia ohjelmointikieliä, joista osa on sangen eksoottisia, kuten esimerkiksi APL, jonka koodi on erittäin “tiivistä” tai helppolukuista kuin muinaisegyptiläiset hieroglyfit. Myös vanhimmat ohjelmointikielet kuten Algol ja Cobol ovat jo poistuneet käytöstä.

Symbolisella konekielellä eli assemblerilla koodaus on jäänyt myös pois käytöstä. Nykyään yksinkertaisissa mikro-ohjainsovelluksissa suositaan enimmäkseen C-kieltä tai Pythonia. Laajemmissa järjestelmissä C++ on kuitenkin paljon käytetty ohjelmointikieli.

Sulautetun ohjelmistokehittäjän perustyökalupakki on kehitysympäristö (IDE eli Integrated Development Environment). See kuuluu esimerkiksi työkaluna editori, joka näyttää käytetyn ohjelmointikielen avainsanat erilaisilla värikoodeilla. Muita työkaluja ovat ohjelmistoversioiden hallintatyökalu ja ohjelmistovirheiden löytämiseen käytetty debuggeri.

Sulautettuja kehitysympäristöjä on tarjolla suuri valikoima sekä kaupallisia (siis maksullisia) että maksuttomia. Mikro-ohjainpuolella tunnetuimmat maksulliset työkalut ovat ruotsalainen IAR Systems ja saksalainen Keil. Microsoftin Visual Studio työkalusta on saatavissa sekä maksullinen versio että maksuton Community Edition eli ”yhteisöversio”. Arduinon kehitysympäristö on hyvin suosittu ja kattaa suuren joukon mikro-ohjaimia.

Käyttöliittymät painikkeista kosketusohjauksiin

Kaikissa sulautetuissa laitteissa on oltava jonkinlainen käyttöliittymä, joka yksinkertaisimmassa muodossa rakentuu yhdestä tai muutamasta ledimerkkivalosta ja painikkeista.

Sulautetuissakin yleistymässä ovat nykyisin graafiset käyttöpaneelit, jotka tarjoavat enemmän visuaalisuutta ja toimintoja kuin mitä muutamalla merkkivalolla saadaan aikaan. Esimerkiksi ARM Cortex-A-perheessä piisirulla on grafiikkaprosessori, jolla voi hyödyntää esimerkiksi Linux-tai Android-käyttöjärjestelmän graafista työpöytää ja käyttöliittymää.

Sen sijaan useimmista mikro-ohjaimista puuttuu grafiikkaprosessori eikä Linux-käyttöjärjestelmää tai muita sellaisia voi käyttää muistinhallintayksikön puuttuessa. Tästä huolimatta yksinkertaisinkin mikro-ohjain voidaan varsin helposti varustaa graafisella käyttöliittymällä ja kosketusnäytölläkin. ’

Muutamat yritykset, etunenässä kiinalainen Nextion ja australialainen 4D Systems tarjoavat myös “älykkäitä” näyttöjä, joissa on sisäinen grafiikkaprosessori. Liitäntä mikro-ohjaimeen voi olla yksinkertainen sarjaliitäntä kuten SPI, jollainen on käytettävissä lähes jokaisessa mikro-ohjaimessa. Tai ellei ole, niin sarjaliitäntää voi ohjelmallisesti emuloida melkein millä tahansa liitäntänastalla.

Nextion, 4D ja muut tarjoavat suunnittelijalle maksuttoman editorin, jolla graafinen käyttöliittymä on helppo muotoilla ja konfiguroida. Editorin kirjastossa on tyypillisesti tarjolla sekä staattisia että dynaamisia elementtejä, kuten pysyviä kuvia ja tekstejä sekä vaihtuvia lukuarvoja ja graafeja. Kirjastosta poimitaan halutut elementit ja vedetään paikalleen kuvapinnalle.

Artikkelisarjan on koonnut Krister Wikström, jolla on vuosikymmenien kokemus elektroniikan suunnittelijana. Hän on erikoistunut sulautettuihin järjestelmiin, anturiverkkoihin ja teollisen internetin sovelluksiin.

Artikkeliin liittyvät lisätietolinkit löydät osoitteesta www.uusiteknologia.fi/linkkipankki. Mukana on artikkelissa mainittujen tuotteiden valmistajiin sekä linkkejä kirjoittajan aiempia sulautetun alueen artikkeleihin Uusiteknologia.fi-lehdissä vuosina 1996-2020 (LINKKI).

 

Designing modern electronics, a series of three articles

New smarter electronics and embedded microprocessor solutions enable designing even better functioning devices. They can utilize the latest IT and wireless communications solutions, which are offered as various software and hardware modules. This new article series of offers engineers practical information and ideas for the development of new types of devices, from design to final implementation. In the first article we present the most important and fundamental tasks and choices that should be considered before starting the actual design process. We also present in list form the alternatives available for the most important design considerations.

Aloituskuva: OKW

Päivitetty 1.4.2023